納米技術(shù)及其應(yīng)用

納米技術(shù)及其應(yīng)用（許桂華）

一、概述

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，以納米技術(shù)為代表的新一代工程技術(shù)悄然崛起，使得作為信

息技術(shù)先導(dǎo)和基礎(chǔ)的微電子技術(shù)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1納米等于10（負(fù)9次方）米（即十億分之一米），約為10個(gè)原子

的長(zhǎng)度，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的50萬分之一。

所謂納米技術(shù)，是指在0.1-100納米尺度的空間里，研究電子、原子和分子內(nèi)在運(yùn)動(dòng)規(guī)

律和特性的一項(xiàng)嶄新的技術(shù)�？茖W(xué)家們?cè)谘芯课镔|(zhì)構(gòu)成的過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出

來的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)電子、原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制

造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)，就稱之為納米技術(shù)。

納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)是以控制單個(gè)原子、電子來實(shí)現(xiàn)其特定

的功能，是利用電子的波動(dòng)性來工作的；而微電子技術(shù)則通過控制成群的電子來實(shí)現(xiàn)其功能

，是利用電子的粒子性來工作的。人們研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的，就是要達(dá)到對(duì)單個(gè)原子

和分子的自由操縱、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微觀世界的有效控制。

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年

，國(guó)際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為6個(gè)分支學(xué)科：納米電子學(xué)；納米物理學(xué)；納

米化學(xué)；納米生物學(xué)；納米加工學(xué)和納米計(jì)量學(xué)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)

的基礎(chǔ)理論，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。專家認(rèn)為，納米技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)引

起新一輪的產(chǎn)業(yè)革命，首當(dāng)其沖的便是以計(jì)算機(jī)為主的信息領(lǐng)域，接著是材料和生命科學(xué)領(lǐng)

域。

二、納米技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1.傳統(tǒng)的電子器件

早在一個(gè)世紀(jì)以前，人們就知道了電子具有波粒二重性。人們利用電子的粒子性，已在

微電子領(lǐng)域取得了輝煌的成果。從1958年世界上第一塊集成電路問世至今，微電子技術(shù)已走

過了小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模集成時(shí)代，現(xiàn)已進(jìn)入了極大規(guī)模時(shí)代。預(yù)計(jì)到21世

紀(jì)初，將出現(xiàn)1千兆的特大規(guī)模集成電路，一個(gè)芯片即可容納100億個(gè)元件，加工線寬達(dá)到

100納米的水平。如今，微電子技術(shù)引發(fā)的新技術(shù)革命，正在改變著世界。正如美國(guó)摩托羅

拉公司的丹尼樂斯所說："到本世紀(jì)末、下世紀(jì)初，你接觸到的每一件東西，都將裝有芯片。

"到時(shí)，芯片上晶體管的數(shù)量幾乎與天上的星星一樣多。

2.微電子器件已趨于物理極限

隨著半導(dǎo)體器件功能的不斷增強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，其體積也越來越小，現(xiàn)已小到極

點(diǎn)。如果再小下去，現(xiàn)有的半導(dǎo)體就將趨近物理極限。也就是說，當(dāng)蝕刻在半導(dǎo)體上的線條

寬度窄到0.1μm以下后，現(xiàn)有的集成電路將因散熱、隧道效應(yīng)和電子學(xué)理論的限制等方面的

原因，其晶體管不再具備原有功能；電路中穿行的將只是少數(shù)幾個(gè)電子，而且會(huì)像任性的幽

靈一樣跳來跳去，增加一個(gè)或者減少一個(gè)都造成很大的差異。由此，單個(gè)原子和電子的行為

成了緊要問題，納米電子學(xué)也便應(yīng)運(yùn)而生。

3.納米技術(shù)的發(fā)展

納米技術(shù)的問世，具有劃時(shí)代的意義。當(dāng)前，為研制量子器件而開展的對(duì)單個(gè)原子、單

個(gè)電子的研究，已成為各國(guó)科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。量子器件是種應(yīng)用量子隧道穿透效應(yīng)原理、

并采用納米硅薄膜制作的電子器件。量子器件利用電子的波動(dòng)性來實(shí)現(xiàn)其功能，其制作的關(guān)

鍵是超微細(xì)加工技術(shù)。它一般需要在超低溫的環(huán)境下工作，使電子以波動(dòng)形式來運(yùn)動(dòng)。Bell

實(shí)驗(yàn)室利用納米技術(shù)，已經(jīng)研制成功了突破微電子極限的新型量子器件----隧道三極管。它

的尺寸只有傳統(tǒng)器件的1/100，功耗也只有傳統(tǒng)器件的1/1000，而運(yùn)算速度卻提高了1000倍。

有報(bào)道稱，IBM公司也研制出了單電子晶體管，只要控制一個(gè)電子就可以完成特定的功能。從

控制成群電子的晶體管發(fā)展到控制單個(gè)電子的晶體管，器件響應(yīng)速度提高了1000-10000倍，

而功耗卻降低到1/1000-1/10000，其優(yōu)越性顯而易見。

由于量子器件是通過控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其特定功能的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)1千兆位或更

多位的集成化，可以成千倍地提高工作速度、降低功率消耗。不久的將來，隨著千兆位超LSI

集成電路的實(shí)用化，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件將逐步消失，并最終被納米器件所取代。

三、納米技術(shù)的應(yīng)用前景

近年來，對(duì)納米技術(shù)的應(yīng)用研究不斷取得突破性進(jìn)展，并顯示出革命性的產(chǎn)業(yè)前景。納米

技術(shù)的發(fā)展，不僅開創(chuàng)了一個(gè)科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代，還將引起社會(huì)經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域發(fā)生重大變

革。

1.納米技術(shù)的發(fā)展將推動(dòng)其它高技術(shù)群的進(jìn)步

納米技術(shù)在電子器件制造、加工及新材料合成等方面，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，人們已

經(jīng)可以利用納米技術(shù)把一個(gè)個(gè)原子排布起來，這就為制造特殊的電子器件乃至高集成度的集成

電路創(chuàng)造了條件。利用納米技術(shù)制成的新材料具有傳統(tǒng)材料無法比擬的良好特性：用鐵鉆合金

和氮化鐵制成的納米技術(shù)材料作磁記錄介質(zhì)時(shí)，不僅信噪比高，音質(zhì)、圖像非常清晰，而且記

錄密度也比通常所用的材料高出10倍；納米技術(shù)材料 還可以被用來加光盤模具。光盤一旦進(jìn)

入納米級(jí)，其信息存儲(chǔ)量將是現(xiàn)在光盤的10倍，可以存儲(chǔ)300億個(gè)漢字。在一張不足巴掌大的5

英寸光盤上，至少可以儲(chǔ)存30個(gè)北京圖書館的全部藏書。

利用納米加工技術(shù)，還可以對(duì)材料表面進(jìn)行納米修飾，包括原子操縱、納米光刻布線和納

米尺度的常規(guī)加工等。其中，原子操縱是納米加工學(xué)的主要內(nèi)容。所謂原子操縱，就是通過掃

描隧道顯微鏡，對(duì)納米空間材料表面的原子進(jìn)行提取、植入和轉(zhuǎn)移。不同的物質(zhì)有不同的原子

結(jié)構(gòu)，原子操縱可以將某一物質(zhì)的原子取出，再將新的原子植入，從而人工制造出某些新物質(zhì)

，實(shí)現(xiàn)物種再構(gòu)。

2.納米技術(shù)對(duì)軍事領(lǐng)域?qū)�產(chǎn)生重大影響

（1）納米技術(shù)可使武器裝備控制系統(tǒng)的性能大幅度提高。由于量子器件的工作速度比半導(dǎo)

體器件高出1000倍，故用量子器件取代半導(dǎo)體器件，可以大大提高武器裝備控制系統(tǒng)信息傳輸

、存儲(chǔ)和處理的能力，從而使武器裝備控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。例如：用納米技術(shù)可以

使現(xiàn)有雷達(dá)的體積縮小到1/10，其信息處理能力提高數(shù)百倍；可以把超高分辨合成孔徑雷達(dá)安

放在衛(wèi)星上，進(jìn)行高精度對(duì)地偵察：可以制造出全新原理的全固態(tài)化、智能化的微型慣性導(dǎo)航

系統(tǒng)，使制導(dǎo)武器的隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和生存能力大幅度提高等。

（2）納米技術(shù)可使軍用電子信息系統(tǒng)的體積、重量和功耗大大減小。納米技術(shù)可以把現(xiàn)代

作戰(zhàn)飛機(jī)上的全部電子信息系統(tǒng)集成在一塊芯片上，可以使目前需車載、機(jī)載的通信及電子對(duì)

抗設(shè)備縮小至可由單兵攜帶，從而大大提高戰(zhàn)場(chǎng)通信及電子對(duì)抗的能力。利用納米技術(shù)還可以生

產(chǎn)重量小于0.1公斤的衛(wèi)星，使一枚火箭一次即可發(fā)射數(shù)百乃至數(shù)午顆衛(wèi)星，完成覆蓋全球的戰(zhàn)

略偵察和信息轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

（3）納米技術(shù)可使武器裝備表面變得更"靈巧"。利用動(dòng)態(tài)特性可調(diào)的納米材料制作的"蒙皮

"，可以察覺到極其細(xì)微的外界"刺激"。例如，用納米材料制作的潛艇"蒙皮"，可以靈敏地'感覺

'水流、水溫和水壓的細(xì)微變化，并及時(shí)反饋給中央計(jì)算機(jī)，以適時(shí)調(diào)整潛艇的運(yùn)行狀態(tài)，最大

限度地降低噪聲、節(jié)約能源。利用納米技術(shù)，還可制成一種由傳感系統(tǒng)、處理和自主導(dǎo)航、殺傷

機(jī)制、通信系統(tǒng)和電源系統(tǒng)5部分組成的微型攻擊機(jī)器人。當(dāng)它接近目標(biāo)時(shí)，能迅速"感覺"到敵

方電子系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置，并自動(dòng)滲入實(shí)施攻擊。

（4）納米技術(shù)還可導(dǎo)致戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)及作戰(zhàn)樣式發(fā)生變革。納米技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，

必將加速武器裝備小型化、智能化、信息化和一體化進(jìn)程，并最終促使武器裝備性能發(fā)生質(zhì)的變

化，這無疑會(huì)導(dǎo)致戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)及作戰(zhàn)樣式發(fā)生變革。

摘自《數(shù)據(jù)通信》